06-가축매몰지(dh).151209.pdf418.5KB

• 1. 서 론
• 2. 재료 및 방법
• 3. 결과 및 고찰
• 3. 1. 유입풍량 증가에 따른 MT의 제거특성
• 3. 2. 적정 유입부하량에 대한 검토
• 3. 3. 처리 후 배출되는 MT의 악취농도 평가
• 3. 4. 적정 공탑속도 및 적정 체류시간의 검토
• 4. 결 론
• 사 사

1. 서 론

 2010년 조류독감에 의한 닭, 오리 등 가금류의 매몰 처분에 이어 2011년에는 구제역에 의한 소와 돼지의 살처분이 국가적 이슈로 대두되었다. AI 조류독감과 구제역에 의한 계금류와 가축류의 살처분은 지하수 오염 등 2차 환경피해를 가져오게 되는데, 악취는 단 시간에 작업환경뿐만 아니라 생활환경에 직접적인 영향을 미치기 때문에 지하수 오염과 함께 이에 대한 대책이 절실하게 요구되었다. 환경부에서는 이미 매몰지 조성, 침출수처리 등의 내용이 포함된 가축 매몰지 환경관리지침을 수립하여 시행하고 있으나, 악취관리에 대한 내용이 부족하여 이에 대한 연구 및 기술개발이 시급한 실정이다. 2011년 구제역 발생 당시 환경부에서는 현장악취 저감방안으로서 악취가스 배제공에 활성탄주머니 등을 설치 운영하거나, 미생물제재의 투입 등을 시도하였으나, 실제 현장에서의 설치 및 투입조건, 탈취효과 등에 대해서는 거의 알려진 바가 없다.

 한편 2012년 구제역현장에서 발생하는 악취를 9회에 걸쳐 채취 분석한 결과에 의하면 구제역 현장에서 발생하는 악취의 주요 원인물질은 메틸머켑탄(MT:Methyl mercapton, CH₃SH )인 것으로 조사되었으며, 현장 복합악취에 대한 MT의 악취도 기여율은 약 88%인 것으로 보고되고 있다.^1,2)  또한 가축매몰지에서 발생한 복합악취의 악취농도(단위: 희석배수)는 평균 8,121으로서, 현행 악취방지법의 사업장 배출구 배출허용기준치 500배수의 16배 이상, 일반 주거지역 배출허용기준치 15배수의 540배가 넘는 고농도 악취가 발생하고 있는 것으로 조사되었다.³⁾ 

 이러한 배경 하에 본 연구에서는 기존의 활성탄을 가공하여 처리능을 향상시킨 활성탄섬유(ACF: Activated Carbon Fiber)^4-7)를 이용하여 구제역 악취의 가장 주요한 악취원인물질인 메틸머켑탄을 대상으로 흡착처리 실험을 진행함으로써, 향후 현장에 설치되는 ACF 탈취장치에 필요한 기초설계인자를 얻고자 본 연구를 진행하였다.

2. 재료 및 방법

실험장치는 Fig. 1과 같이 4개의 유리칼람 반응조(ID:31 mm, Height: 150 mm)에 각각 16 g의 ACF를 142 g/L의 밀도로 충진시켜 제작하였다. 본 실험에 사용된 ACF는 일반 탄소섬유를 needle punch법에 의해 felt unwoven cloth로 가공한 시제품(FN-200CF-15, Osaka Gas Co.,Japan)을 사용하였으며, 실험에 사용된 ACF의 물성은비표면적 1,500 m² /g, 내부공극 반경 9 Å, 내부공극 용적 0.8 cm³ /g이다.⁸⁾  악취시료가스는 20^˚C의 실온에서 황화수소 (H₂ S; 20,000 ppm in N₂), 메틸머켑탄 (MT:8,000 ppm in N₂), 황화메틸(DMS; 2,000 ppm in N₂)가스를 실험조건에서 설정한 농도까지 무취공기와 혼합희석하여 제조한 후 각 반응조에 주입하였다. 

Fig. 1. Schematic diagram of the experimental device used in this study.

 유입풍량의 증가에 따른 ACF의 MT 제거특성 조사 실험은 유입풍량 및 체류시간을 4단계(Run 1~Run 4)로 구분하여 진행하였으며, 24.2 L/d의 증류수를 연속적으로 주입하여 반응조 내 ACF의 함수율을 약 80% 정도로 유지하였다.^5,9) 

 Table 1은 본 연구에서 수행한 실험조건을 나타낸 것으로, 유리칼람 반응조로 유입되는 악취농도는 현장과 유사하게 H₂S 10 ppm, MT 3 ppm, DMS 1.5 ppm으로 설정하였으며, 반응조 내 SV (Space Velocity, 공탑속도)는 100 h^-1에서 900 h^-1까지 4가지 조건으로 실험을 진행하였다.

Table 1. Experimental conditions of this study

 악취시료는 일정한 함수율 조건에서 하루 1회 이상 각 유리칼람 반응조의 입구와 출구에서 채취 분석하였다. 분석항목으로는 입구의 경우H₂S, MT, DMS를 출구의 경우 H₂S, MT, DMS, DMDS를 분석하였다. 악취시료분석은 Gas Chromatograph w/FPD (Shimadzu 14B,Japan)를 사용하였으며, 악취공정시험법⁹⁾에 제시된 방법과 동일하게 진행되었다.

3. 결과 및 고찰

3. 1. 유입풍량 증가에 따른 MT의 제거특성

 Fig. 1과 같이 4개의 습윤상태의 ACF 충진 유리칼람에 H₂S 10 ppm, MT 3 ppm, DMS 1.5 ppm의 3성분혼합가스를 주입하면서, 약 90일 동안 동일한 실험조건에서 4개의 ACF 처리장치에 Run 1 (SV 100 h^-1), Run 2 (SV 300 h^-1), Run 3 (SV 600 h^-1), Run 4 (SV 900 h^-1)의 실험을 동시에 진행하였다. 

 Fig. 2는 Run 1~Run 4의 실험결과를 나타낸 것으로, 운전기간 경과에 따른 각 SV별 입구농도 및 출구농도에서의 MT와 DMDS의 측정결과를 나타낸 것이다. 체류시간 6 sec로 가장 많은 악취시료가 주입된 SV 900 h^-1에서는 MT를 주입한 지 53일이 경과하면서 출구에서 미처리된 MT가 검출되기 시작했으나, SV 600 h^-1 이하에서는 실험기간 동안 MT는 거의 검출되지 않았다.

Fig. 2. Time-course variation of concentration of MT and DMDS at the inlet and the outlet according to SV change.

 한편 최 등의 연구(1991)에 의하면 MT는 불완전 산화되면 DMDS로 변환되어 검출되는 것으로 보고되고 있다.⁸⁾ 본 실험에서도 MT는 SV 900 h^-1에서만 검출되었고 SV 600 h^-1 이하에서는 검출되지 않았지만, DMDS는 SV 900 h^-1과 SV 600 h^-1에서는 MT 가스를 주입한지 47일 후부터, SV 300 h^-1은 51일 후부터 출구에서 DMDS가 검출되었다. 다만 악취시료 주입량이 적었던 SV 100 h^-1은 실험개시 후 종료시점까지 MT와 DMDS가 모두 검출되지 않아 유입된 MT가 대부분 제거되는 것으로 나타났다.

3. 2. 적정 유입부하량에 대한 검토

 Fig. 3은 ACF를 이용하여 MT를 처리하는 경우 적정유입부하량을 산정하기 위해, Fig. 2의 운전결과를 유입부하량과 배출부하량으로 환산하여 각 SV별로 나타낸 것이다. SV 900 h^-1에서는 MT의 유입부하량이 0.56 g-S/kg dry ACF/d 이상으로 주입한 경우 DMDS와 MT가 거의 동시에 배출되었으나, SV 600 h^-1에서는 유입부하량을 0.38 g-S/kg dry ACF/d 초과하여 주입하였을 때 DMDS가 검출되었고, 0.5 g-S/kg dry ACF/d 초과하여 주입하였을 때에는 DMDS뿐만 아니라 MT도 함께 검출되었다. SV 300 h^-1는 0.2 g-S/kg dry ACF/d 이상으로 주입하였을 때 DMDS가 배출되었으나, MT는 배출되지 않았으며, SV 100 h^-1의 경우에는 DMDS와 MT 배출 없이 유입부하 전량이 제거된 것으로 나타났다.

Fig. 3. Optimal loading rate of MT for ACF adsorption treatment according to SV change.

 따라서 실험결과를 토대로 볼 때 ACF는 MT 유입부하량을 0.5 g-S/kg dry ACF/d 이하로 처리하는 경우 유입된 MT의 95%까지 제거가 가능하나, 탈취장치로 사용하기 위해서는 DMDS에 의한 악취영향까지 고려하여야 하므로 적정유입부하량은 0.2 g-S/kg dry ACF/d이하로 설정하는 것이 바람직할 것으로 생각된다.

3. 3. 처리 후 배출되는 MT의 악취농도 평가

 물질농도(mg/L 또는 μL/L)로 표현되는 MT는 일정한 용적(L) 내에 어느 정도의 양(mg)에 의해 대기가 오염되어 있는가는 평가할 수 있겠지만, 지정악취 물질로서 MT의 악취기여도를 파악하기 위해서는 물질농도가 어느 정도의 악취를 수반하는지 악취농도로 표현되어야 한다. 화합물의 물질농도는 아래의 식을 이용하여 악취농도를 이론적으로 예상할 수 있다.

 Table 2는 처리장치 출구에서 검출된 MT와 DMDS의 화합물 농도를 예상악취농도로 환산한 결과를 SV 별로 나타낸 것이다. Table 2에서와 같이 SV 900 h^-1의 경우 MT가 검출되기 시작한 이후 평균 출구농도는 0.14ppm로서 평균입구농도 3.42 ppm 대비 평균 96%의 매우 높은 제거율을 나타내었으나, MT의 출구평균농도0.14 ppm을 MT의 최소감지농도(Threshold limit value,ppm) 0.0003 ppm¹⁰⁾ 으로 나누어 산출한 예상악취농도는 465로서 매우 높게 나타났다. 여기에 불완전 산화에 의해 생성되는 DMDS에 의한 복합악취까지 같이 고려하는 경우 SV 900 h^-1에서 배출되는 출구의 예상 악취농도는 600으로서, 배출구와 부지경계선의 허용기준치 500과 15를 훨씬 초과하는 것으로 나타났다. 이외에 SV 600 h^-1은 120, SV 300 h^-1은 95 정도의 악취농도를 나타낼 것으로 조사되었다.

Table 2. Calculated odor concentration of outlet gas by MT and DMDS according to SV

3. 4. 적정 공탑속도 및 적정 체류시간의 검토

 Table 2에서와 같이 SV 600 h^-1 이하로 처리하는 경우 출구에서 MT는 검출되지 않으나 DMDS에 의해 악취가 감지되므로 DMDS까지 고려하여 출구가스의 예상 복합악취농도를 100 배수 이하로 배출하기 위해서는 적정 SV를 300 h^-1, 적정 EBRT를 12 sec 정도로 설정하는 것이 바람직할 것으로 생각된다. 활성탄섬유는 활성탄과 마찬가지로 H₂S에 대해서는 매우 높은 흡착제거능을 가지고 있으며 활성탄에 재생이 용이하다는 장점이 있다. 일반적으로 대부분의 활성탄흡착탑의 경우 H₂S를 기준으로 EBRT를 2~3 sec로 설계하고 있으나, 본 실험결과에서와 같이 MT에 대한 흡착처리능은 H₂S보다 낮으므로 악취를 제거하기 위한 흡착탑은 H₂S가 아닌 MT의 처리능을 기준으로 흡착탑을 설계할 필요가 있다.

4. 결 론

 습윤상태의 활성탄소섬유(ACF)를 충진한 4개의 처리장치에 H₂S 10 ppm, MT 3 ppm, DMS 1.5 ppm의 3성분혼합가스를 Run 1 (SV 100 h^-1), Run 2 (SV 300 h^-1), Run 3 (SV 600 h^-1) , Run 4 (SV 900 h^-1)의 조건으로 약90일 동안 주입하면서 H₂S, MT, DMS 유황계 3성분 혼합가스 내 MT의 제거특성조사 실험을 수행한 결과 다음과 같은 내용을 알 수 있었다.

 1) 유입된 MT 가스는 SV 900 h^-1의 경우만 출구에서 검출되었고 SV 600 h^-1 이하에서는 검출되지 않았지만, DMDS는 SV 900 h^-1과 SV 600 h^-1에서는 MT 가스를 주입한 지 47일 후부터, SV 300 h^-1은 51일 후부터 출구에서 DMDS가 검출되었다. 따라서 MT는 유입부하가 높아 중간생성물인 DMDS로 불완전 산화되는 경우 출구에서 DMDS에 의한 악취가 유발될 수 있다.

 2) ACF를 이용하여 MT를 처리할 때 유입부하량을 0.5 g-S/kg dry ACF/d 이하로 운전하는 경우 95% 정도의 제거가 가능하나, 탈취장치로서의 기능을 유지하기 위해서는 DMDS의 영향을 고려하여 적정 유입부하량을 0.2 g-S/kg dry ACF/d 이하로 설정하는 것이 바람직 할 것으로 생각된다.

 3) SV 600 h^-1 이하로 처리하는 경우 출구에서 MT는 검출되지 않으나 DMDS에 의해 악취가 감지되므로 DMDS까지 고려하여 출구가스의 예상 복합악취농도를 100 이하로 처리하기 위해서는 적정 SV를 300 h^-1, 적정 EBRT를 12 sec 정도로 설정하는 것이 바람직할 것으로 생각된다.

사 사

 이 논문은 2011년 한국방송통신대학교 학술연구비 지원을 받아 수행되었습니다.